Fizycy natknęli się na materię zbudowaną z bozonów

Naukowcy odkryli nowy stan materii, zwany „bozonowym spójnym izolatorem”, poprzez interakcję cząstek bozonowych zwanych ekscytonami. Badania te mogą utorować drogę do nowego zrozumienia fizyki materii skondensowanej i stworzenia nowych materiałów bozonowych.

Weź siatkę — płaską część siatki zwykłych komórek, taką jak parawan lub plaster miodu — i umieść na niej inną podobną siatkę. Ale zamiast próbować wyrównać krawędzie lub komórki każdej z krat, obróć górną siatkę, aby można było zobaczyć części dolnej siatki. Ten nowy trzeci wzór to mora i właśnie pomiędzy tego rodzaju zagnieżdżonymi układami sieci diselenku wolframu i dwusiarczku wolframu fizycy z UC Santa Barbara odkryli interesujące zachowanie materiału.

„Odkryliśmy nowy stan materii – spójny izolator bozonowy” – powiedział Richen Xiong, doktorant w grupie Chenhao Jina, fizyk materii skondensowanej na UCLA i główny autor artykułu w czasopiśmie Science. Według Xionga, Jina i współpracowników z UCSB, Uniwersytetu Stanowego Arizony i Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii, po raz pierwszy takie materiały zostały stworzone w „prawdziwym” (w przeciwieństwie do syntetycznego) systemie materiałowym. Unikalną substancją jest wysoce uporządkowany kryształ cząstek bozonu zwanych ekscytonami.

„Tradycyjnie ludzie wkładali większość wysiłku w zrozumienie, co się dzieje, gdy łączy się wiele fermionów” – powiedział Jin. „Głównym motorem naszej pracy jest to, że zasadniczo stworzyliśmy nowy materiał z oddziałujących bozonów”.

Wzór mory

Dwa ułożone w stos lekko przesunięte tworzą nowy wzór zwany morą. Źródło: Matt Bierko

bozonowy. gwintowane. izolator.

Cząstki subatomowe dzielą się na dwa szerokie typy: fermiony i bozony. Jin powiedział, że jedną z największych różnic jest ich zachowanie.

„Bozony mogą zajmować ten sam poziom energii, fermiony nie lubią przebywać razem” – powiedział. Razem te zachowania budują wszechświat, jaki znamy”.

Fermiony, podobnie jak elektrony, leżą u podstaw materii, którą znamy najbardziej, ponieważ są stabilne i oddziałują poprzez siłę elektrostatyczną. Tymczasem bozony, podobnie jak fotony (cząsteczki światła), są trudniejsze do wytworzenia lub manipulowania, ponieważ albo są przejściowe, albo nie wchodzą ze sobą w interakcje.

Dowody na ich charakterystyczne zachowanie, wyjaśnił Xiong, leżą w ich różnych właściwościach mechaniki kwantowej. Fermiony mają „spiny” połówkowe liczb całkowitych, takie jak 1/2 lub 3/2, podczas gdy bozony mają pełne spiny całkowite (1, 2 itd.). Ekscyton to stan, w którym ujemnie naładowany elektron (fermion) jest związany z odpowiednią dodatnio naładowaną „dziurą” (inny fermion), obracając razem połowę liczby całkowitej, aby stać się liczbą całkowitą, w wyniku czego powstaje bozon.

Egzotyczny materiał Genelab wykonany z bozonów

Laboratorium Jina, od lewej do prawej: Tian Shi, Riqin Xiong, Chenhao Jin, Samuel L Brantley. kredyt
Sonia Fernández

Aby stworzyć i zidentyfikować ekscytony w swoim systemie, naukowcy ułożyli dwie sieci i oświetlili je silnym światłem za pomocą metody, którą nazywają „spektroskopią pompową”. Zbiór cząstek z obu sieci (elektronów z dwusiarczku wolframu i dziur z dwutlenku wolframu) oraz światła stworzył środowisko sprzyjające powstawaniu i oddziaływaniom między ekscytonami, jednocześnie umożliwiając naukowcom badanie zachowania tych cząstek.

„A kiedy te ekscytony osiągnęły określoną gęstość, nie mogły się już poruszać” – powiedział Jin. Dzięki silnym oddziaływaniom zbiorowe zachowanie tych cząstek przy określonej gęstości zmusiło je do przejścia w stan krystaliczny i stworzyło efekt izolacyjny ze względu na ich stabilność.

„To, co się tutaj stało, polega na tym, że odkryliśmy związek, który doprowadził bozony do stanu wyższego rzędu” – dodał Xiong. Ogólnie rzecz biorąc, luźny zbiór bozonów w bardzo niskich temperaturach utworzyłby kondensator, ale w tym reżimie, zarówno przy świetle, jak i zwiększonej gęstości oraz interakcji w stosunkowo wyższych temperaturach, zorganizowały się w symetrycznie naładowany, neutralnie stały izolator.

Stworzenie tego dziwnego stanu materii dowodzi, że platforma falowa i spektroskopia pompowa naukowców mogą stać się ważnym środkiem do tworzenia i badania materii bozonowej.

„Istnieje wiele faz ciała z fermionami, które prowadzą do nadprzewodnictwa” – powiedział Xiong. Istnieje również wiele ciał podobnych do bozonów, które również są fazami egzotycznymi. Stworzyliśmy więc platformę, ponieważ tak naprawdę nie mieliśmy świetnego sposobu na badanie bozonów w rzeczywistych materiałach. nawzajem.

Według Jina, dzięki ich metodzie możliwe jest nie tylko badanie dobrze znanych cząstek bozonowych, takich jak ekscytony, ale także otwarcie większej liczby okien na świat skondensowanej materii za pomocą nowych materiałów bozonowych.

„Wiemy, że niektóre materiały mają bardzo dziwne właściwości” – powiedział. „Jednym z celów fizyki materii skondensowanej jest zrozumienie, dlaczego ma ona tak bogate właściwości i znalezienie sposobów, aby te zachowania były bardziej wiarygodne”.

Referencje: „Koherentny izolator ekscytonów w WSe2/ WS2 Super Moiry” autorstwa Richena Xionga, Jacoba H.Ni, Samuela L. Brantleya, Patricka Hayesa, Renee Silos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Svaten Tongai i Chenhao Jin 11 maja 2023 r., Dostępne tutaj. Nauki.
DOI: 10.1126/science.add5574

READ  Teleskop Hubble'a obserwuje „ukrytą galaktykę” za Drogą Mleczną

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *